Zat lewat dingin dibuat di atas ISS

Sumber Bingkai: Youtube

Ketahui: eksperimen ruang paling menakjubkan dimulai pada ISS.


NASA Cold Atom Laboratory (CAL), yang dipasang di stasiun itu pada Mei, menghasilkan penangguhan atom lewat dingin, juga dikenal sebagai kondensat Bose-Einstein (BEC). BERAT BADAN adalah pada suhu sepersekian derajat di atas nol absolut, titik di mana, secara teoritis, gerakan termal partikel berhenti pada zat apa pun. Sebelumnya, eksperimen semacam itu hanya dilakukan di Bumi.


Di atas ISS, NASA Cold Atom Plant akan menghasilkan atom lewat dingin untuk melakukan eksperimen di bidang fisika kuantum dalam kondisi gayaberat mikro. Atom didinginkan hingga sepersepuluh miliar derajat di atas nol absolut (rata-rata, sepuluh miliar kali lebih dingin daripada di angkasa). Fisikawan percaya bahwa mengamati perilaku partikel yang tidak biasa pada suhu serendah itu akan memberikan jawaban atas pertanyaan tentang struktur dasar materi.

CAL adalah instalasi multi-pengguna yang dirancang untuk mempelajari dasar-dasar dunia menggunakan atom ultracold dalam gayaberat mikro. Atom "dingin" adalah partikel berumur panjang (menurut standar kuantum) yang dapat dikontrol dengan akurasi tinggi; dengan demikian, mereka ideal untuk mempertimbangkan fenomena kuantum dan aplikasi potensial teknologi kuantum.

Instrumen semacam itu ditempatkan di orbit untuk pertama kalinya; Diharapkan bahwa itu akan menjadi alat yang ampuh untuk pengukuran medan gravitasi yang sangat tepat, studi tentang masalah fisika kuantum yang sudah berlangsung lama dan pemahaman tentang sifat gelombang materi.


Serangkaian grafik menunjukkan perubahan densitas suspensi atom dengan penurunan suhu (dari kiri ke kanan) hingga mendekati nol absolut. Munculnya puncak yang tajam pada tahap terakhir adalah bukti pembentukan kondensat Bose-Einstein - kondisi kelima materi - yang muncul pada suhu sekitar 130 nanokelvin. Sumber: NASA / JPL-Caltech

"Kesempatan untuk melakukan percobaan dengan BEC di atas ISS adalah mimpi yang akhirnya menjadi kenyataan," kata Robert Thompson, kepala spesialis di proyek CAL dan fisikawan di NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) di Pasadena, California. "Untuk saat ini kami melewati perjalanan yang panjang dan sulit, tetapi semua upaya yang dilakukan akan menghasilkan seratus kali lipat, karena instalasi ini membuka bidang terluas untuk kita alami. "

Pekan lalu, para ilmuwan yang bekerja dengan CAL mengkonfirmasi produksi kondensat dari atom rubidium, dengan suhu sekitar 100 nanokelvin; itu lebih dingin daripada suhu rata-rata di ruang angkasa (sekitar tiga Kelvin, atau -270 derajat Celcius). Namun, ini bukan batasnya - lebih lanjut ia diharapkan untuk mendapatkan suhu yang lebih rendah, bahkan dibandingkan dengan yang telah dicapai di laboratorium bumi.

Pada suhu ini, atom mulai berperilaku berbeda dari pada materi lain yang diketahui dan diamati oleh kita. BEC disebut "keadaan materi kelima", dengan demikian memisahkannya dari padat, cair, gas dan plasma; karena atom kondensat berperilaku lebih seperti gelombang daripada partikel. Sifat gelombang materi hanya dapat diamati dalam fenomena skala yang sangat kecil, namun, BEC membuatnya lebih terlihat - dan karenanya lebih mudah untuk dianalisis. Atom ultracold berada dalam keadaan dengan energi minimal dan mengambil kondisi gelombang yang sama, menjadi tidak dapat dibedakan satu sama lain; awan atom mulai berperilaku sepenuhnya sebagai "superat" tunggal.

Alat yang sulit

CAL terdiri dari dua unit standar yang akan dipasang di papan ISS. Blok besar bercanda disebut "kulkas empat kamar", dan yang kecil disebut "kamar tunggal"; besar dan berisi semua isian yang menghasilkan atom lewat dingin. Sumber: NASA / JPL-Caltech / Tyler Winn

“Ini alat yang sangat rumit,” jelas Robert Shotwell, chief engineer di Departemen Fisika dan Astronomi di JPL, yang mengawasi semua pekerjaan instalasi sejak Februari 2017. “Biasanya, trik seperti itu membutuhkan setumpuk peralatan dengan ukuran kamar, dan Anda perlu pengawasan langsung yang konstan, dan kami menciptakan perangkat yang tidak lebih besar dari kulkas portabel dan dapat mengendalikannya dari Bumi. "Kami harus memecahkan banyak penghalang dan berusaha keras untuk membuat potongan puzzle ini berakhir di stasiun ruang angkasa hari ini."

Kondensat Bose-Einstein pertama diperoleh kembali pada tahun 1995, meskipun fenomena itu sendiri diprediksi oleh fisikawan Chatyatranat Bose dan Albert Einstein 71 tahun sebelumnya. Pada tahun 2001, Eric Cornell, Karl Wyman, dan Wolfgank Ketterle berbagi Hadiah Nobel dalam Fisika untuk menciptakan dan mempelajari karakteristik BEC di laboratorium; pada tahun berikutnya, lima kelompok ilmiah, termasuk yang dipimpin oleh Cornell dan Ketterle, akan melakukan percobaan dengan atom dingin. Sejak pertengahan tahun sembilan puluhan, para ilmuwan di seluruh dunia telah melakukan ratusan percobaan semacam itu; kebanyakan dari mereka ada di Bumi, tetapi beberapa di penerbangan luar angkasa pendek - di atas roket geofisika. Dan akhirnya, sains mendapatkan cara untuk melakukan eksperimen kondensat setiap hari untuk jangka waktu yang lama di atas ISS.

BEC diproduksi dalam "perangkap atom" tidak berwujud yang dibuat oleh medan magnet atau laser. Ketika jebakan dimatikan di medan gravitasi bumi, atom-atom lewat dingin segera menceraiberaikan gaya tarik, oleh karena itu dimungkinkan untuk mengamati mereka hanya untuk sepersekian detik. Namun, dalam kondisi gayaberat mikro, suspensi ada dari lima hingga sepuluh detik; Secara total, para ilmuwan mengumpulkan hingga enam jam pengamatan per hari.

Segera setelah tekanan turun di dalam perangkap, suhu menurun secara alami; semakin lama awan atom tetap dalam jebakan, semakin dingin jadinya. Mereka yang telah bekerja dengan kaleng cat sudah terbiasa dengan fenomena ini - semprotan bisa mendingin hanya karena penurunan tekanan. Dalam gayaberat mikro, tekanan kondensat turun ke nilai yang sangat kecil, yang pada gilirannya mengurangi suhu ke nilai yang tidak terjangkau oleh instrumen duniawi. Hari demi hari, instalasi bekerja tanpa campur tangan kru stasiun.


Di sinilah kondensat Bose-Einstein berasal di dalam CAL. Sumber: NASA / JPL-Caltech / Tyler Winn

Setelah menerima BEC dari rubidium, tim peneliti akan menggunakan atom dari dua isotop kalium yang berbeda. Sebagai soal fakta, commissioning saat ini sedang berlangsung di CAL, jadi serangkaian tes panjang adalah untuk mengetahui seberapa baik perangkat bekerja dengan baik di bawah kondisi gayaberat mikro.

"Para ilmuwan dari seluruh dunia tidak akan menunggu izin untuk bekerja di instalasi kami," kata Kamal Odrihiri, kepala misi CAL di JPL. "Dan karena sejumlah besar berbagai percobaan direncanakan, kita harus mengadaptasi banyak cara untuk mendinginkan atom dan memanipulasi mereka untuk gayaberat mikro, sebelum daripada kami akan memberikan perangkat ini ke tangan spesialis sempit untuk pekerjaan serius. " Fase penelitian dari jadwal dimulai pada awal September tahun ini dan akan berlangsung setidaknya tiga tahun.


Tim fisika atom CAL dan ilmuwan JPL David Avelin, Ethan Eliott dan Jason Williams (dari kiri ke kanan); Foto diambil di Pusat Operasi Misi Orbital Bumi di JPL, dari mana CAL akan dikendalikan dan dikonfigurasi dari jarak jauh. Gambar layar di latar belakang menunjukkan instalasi langsung di papan ISS. Karya Avelin, Eliot, dan Williams memainkan peran penting dalam mendapatkan kondensat Bose-Einstein pertama di dunia. Sumber: NASA / JPL-Caltech

Instalasi atom dingin mulai beroperasi pada 21 Mei 2018 di kapal orbital Cygnus dari Wallops Cosmodrome, Virginia. CAL dikembangkan dan dibangun di JPL, dan pendanaan proyek dibagi antara Program Stasiun Luar Angkasa Internasional di Lyndon Johnson Space Center, Houston, dan Direktorat Penelitian dan Aplikasi Kehidupan dan Ilmu Fisika Ruang Angkasa (SLPSRA) untuk Eksplorasi Ruang Angkasa dan Manajemen Operasi Misi NASA, di Markas Besar NASA, Washington.

Untuk informasi lebih lanjut, Anda dapat mengunjungi situs web proyek .